铝是地壳中含量最丰富的金属元素,通常以难溶性硅酸盐或氧化铝的形式存在,对植物没有毒害,但在南方酸性土壤条件下,可溶性的铝(主要是Al3+)对大多数植物都会产生毒害,抑制植物的营养生长,减少植物的经济产量,降低农林产品的食用品质,因此对植物耐铝机理研究具有重要的科学价值和生产应用价值。铝对油茶而言是一种比较特殊的元素,通常情况下不仅未对其产生毒害作用,而且富集在油茶体内。为深入探究油茶对土壤铝的吸收、积累和耐铝机理,本研究以油茶主栽品种’华金’为试验材料,综合利用酶动力学、分子生物学、植物生理生化等科学原理和相关技术,开展了油茶对Al3+的吸收积累规律、铝诱导油茶相关基因的表达、根系和叶片对铝的生理响应机制等方面的研究,主要研究结果如下:(1)油茶对铝的吸收积累特性研究。采用水培法处理油茶幼苗,运用酶动力学原理研究油茶对铝的吸收方式。结果表明:在铝浓度≤2 mmol·L-1处理下,油茶对Al3+的吸收为主动吸收,其吸收量随时间延长而持续增加,吸收速率随时间的推移而下降;而铝浓度>2mmol·L-1时,油茶对Al3+吸收为被动扩散。不同浓度铝处理下,油茶具有很高的铝积累能力,其地上部分铝含量是地下部分的1.15～2.03倍,说明油茶体内的铝主要聚集在地上部分。进一步研究铝在油茶叶片中的分布情况,结果表明大部分铝(70%～80%)都富集在细胞壁中,有效阻止Al3+进入细胞质内,降低铝对细胞结构的破坏。不同浓度铝处理对油茶其他营养元素的吸收影响程度不同,铝处理有利于油茶对Cu和P元素的吸收,但抑制了油茶对Ca和Mg元素的吸收,对K、Fe、Mn和Zn元素的吸收与介质中Al3+浓度的高低相关,铝浓度≤2mmol·L-1时,促进其吸收,反之则抑制吸收。(2)油茶耐铝分子生理研究。通过铝胁迫诱导,采用RACE技术,从油茶幼苗根系中发现了 2个油茶耐铝基因。其中一个克隆获得了全长cDNA序列,全长1725bp,编码574个氨基酸,命名为CoALMT4;另一个获得了 cDNA片段,命名为CoMATE5。通过blast比对,显示CoMATE5序列与其他物种该基因相似度达到91%以上;CoALMT4与其他植物的ALMT4基因所编码的氨基酸相似度在70%以上。通过对CoALMT4基因进一步分析表明,CoALMT4是一个稳定的疏水性蛋白,并具有4个确定跨膜域,4个疑似跨膜域,蛋白由α螺旋(约占56.45%)、延伸链和β转角构成,属于全α型蛋白,具有耐铝基因的主要特征。实时定量qRT-PCR结果表明,CoMA7E5和CoALMT4在根系中的表达显著受到介质中铝浓度的诱导,随着铝浓度的增加而显著提高。由此可见,油茶在铝处理下,通过诱导耐铝基因的表达,促进根系苹果酸和柠檬酸的分泌以螯合根际周围活性铝,从而提高油茶对铝的耐受性。(3)油茶耐铝根系生理研究。采用砂培法铝胁迫培养油茶幼苗,通过对根系形态的观测和根系生理指标的测定,结果表明,在铝浓度为0.5mmol·L-1～2.0mmol·L-1时,油茶幼苗并没有出现铝毒害症状,其株高、地径、干重、根系体积等均随铝浓度的升高而增加;根系活力、木质部转运速率和游离脯氨酸含量较对照处理分别提高了122%、50%、90%,说明适当浓度铝促进了油茶根系生长,增强了根系的运输能力。当铝浓度达到4mmol·L-1时,油茶幼苗的生长受到了抑制,根系质膜透性显著增强,是对照处理的1.77倍;利用透射电镜观察油茶根尖细胞,其细胞壁周边开始形成囊泡,细胞壁发生断裂,质膜遭到破坏,出现质壁分离的现象,内含物减少,这也进一步证明此时油茶根系受到损害。(4)油茶耐铝光合生理研究。测定和分析不同浓度铝处理下油茶叶片光合生理。结果表明:适当浓度的铝(<2mmol·L-1)供给能够提高油茶叶片的光合色素含量;显著增强油茶叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr);PEPC酶活性的变化趋势与Rubisco酶活性变化相反,可有效弥补Rubisco酶活性降低带来的副作用;随着铝浓度的增加叶绿荧光参数Fv/Fm、ΦPSII值和NPQ值升高,由此可见油茶对适当浓度铝处理有较强的光合适应能力。但是铝浓度达到4 mmol·L-1时,油茶叶片的光合作用受到显著抑制,其叶片细胞结构发生变化,基粒片层膨胀,淀粉粒显著减少,嗜饿颗粒增加。(5)油茶耐铝抗氧化生理研究。对油茶叶片渗透调节物质和保护酶系统的测定结果表明,在铝浓度<2mmol·L-1处理下油茶叶片可溶性蛋白含量显著提高,是对照处理的1.7倍;可溶性糖含量与对照处理相比提高了 28%;SOD、POD和CAT活性随着铝浓度的升高而显著增强,比对照处理分别提高了 29%、63%和28%,说明抗氧化酶对植物铝毒存在一定的缓解和耐受作用。但这种作用有一定限度,铝浓度达到4.0 mmol·L-1时,3种保护酶活性均呈下降趋势,MDA含量显著增加,说明该浓度铝处理诱导产生的ROS过量积累,超出其对自由基的清除能力,导致叶肉细胞膜受损。综上所述,油茶在铝浓度≤2 mmol·L-1处理下,通过诱导耐铝基因的表达,促使根系分泌较多的苹果酸和柠檬酸,以螯合根际周围的活性铝,降低铝毒害;启动油茶根系生理响应机制,增强其根系活力和根系游离脯氨酸的积累,有效清除代谢产生的活性氧物质,维持根系的正常生长发育;同时油茶通过将铝富集在叶片的细胞壁中,阻止了 Al3+进入原生质体细胞内,降低了铝对细胞结构的破坏,油茶叶片渗透调节物质的增加和较强抗氧化酶系统的形成,也有助于维持细胞的膨压,保护细胞不受到铝毒害,缓解细胞膜脂过氧化作用,从而有效提高油茶对铝的耐受性,保证油茶的正常生长。